Ultradrobne cząstki mogą odpowiadać za niemal 2 mln przedwczesnych zgonów rocznie

Ultradrobne cząstki obecne w powietrzu mogą odpowiadać za około 1,99 mln przedwczesnych zgonów rocznie na świecie. Pierwsza globalna mapa ekspozycji o wysokiej rozdzielczości wskazuje, że niemal połowa związanej z nimi nadmiarowej śmiertelności przypada na choroby układu sercowo-naczyniowego. Autorzy badania opublikowanego w Cardiovascular Research postulują objęcie ultradrobnych cząstek obowiązkowymi normami oraz rutynowym monitoringiem jakości powietrza.

Czym są ultradrobne cząstki i czym różnią się od PM2,5

Ultradrobne cząstki, określane w literaturze jako ultrafine particles, UFP, mają średnicę mniejszą niż 100 nanometrów. Są niewidoczne gołym okiem, a ze względu na minimalne rozmiary w niewielkim stopniu wpływają na całkowitą masę pyłu zawieszonego. Jednocześnie charakteryzują się bardzo dużą powierzchnią w stosunku do masy, co może zwiększać ich aktywność biologiczną i zdolność do przenoszenia zaadsorbowanych substancji chemicznych.

W przeciwieństwie do drobnego pyłu PM2,5, dla którego w Unii Europejskiej i Stanach Zjednoczonych obowiązują normy prawne, ultradrobne cząstki nie są obecnie objęte powszechnie obowiązującymi wartościami dopuszczalnymi. Oznacza to, że standardowe systemy monitoringu jakości powietrza mogą nie rejestrować w pełni jednego z potencjalnie istotnych składników zanieczyszczenia atmosferycznego.

UFP mogą przenikać głęboko do układu oddechowego, docierając do oskrzelików końcowych i pęcherzyków płucnych. Według autorów badania część cząstek może przekraczać barierę dróg oddechowych, przedostawać się do krążenia ogólnoustrojowego, a także docierać do ośrodkowego układu nerwowego za pośrednictwem błony śluzowej węchowej.

Pierwsza globalna mapa ekspozycji o rozdzielczości jednego kilometra

Międzynarodowy zespół kierowany przez naukowców z Max-Planck-Institut für Chemie w Moguncji oraz The Cyprus Institute w Nikozji połączył dane satelitarne, informacje dotyczące sposobu użytkowania gruntów oraz wyniki pomiarów pochodzące ze 155 lokalizacji na świecie. Do integracji danych wykorzystano metody uczenia maszynowego.

W ten sposób badacze opracowali globalną mapę długoterminowej ekspozycji na ultradrobne cząstki o rozdzielczości jednego kilometra. Analiza obejmowała lata 2010–2019 i pozwoliła uwzględnić znaczne zróżnicowanie ekspozycji pomiędzy obszarami miejskimi, przemysłowymi, podmiejskimi i wiejskimi.

Według uzyskanych danych średnie roczne stężenia UFP w miastach mieszczą się zazwyczaj w zakresie od 10 000 do 30 000 cząstek na centymetr sześcienny powietrza. Największe obciążenie obserwowano na terenach silnie zurbanizowanych oraz w regionach, w których istotną rolę odgrywają transport drogowy, przemysł i energetyka oparta na procesach spalania.

Prawie dwa miliony przedwczesnych zgonów rocznie

Autorzy oszacowali, że długotrwała ekspozycja na ultradrobne cząstki może odpowiadać na świecie za około 1,99 mln przedwczesnych zgonów rocznie. Odpowiadałoby to w przybliżeniu 5 proc. wszystkich zgonów spowodowanych chorobami niezakaźnymi.

Zakres niepewności tego oszacowania był jednak szeroki. Przedział ufności wynosił od 0,81 do 3,89 mln zgonów rocznie. Oznacza to, że liczby 1,99 mln nie należy traktować jako dokładnego rejestru, lecz jako centralne oszacowanie uzyskane na podstawie danych epidemiologicznych, modelowania ekspozycji i przyjętych zależności ryzyka.

Na podstawie metaanalizy dużych badań kohortowych z Europy i Ameryki Północnej naukowcy wyznaczyli zależność pomiędzy długotrwałą ekspozycją na UFP a ryzykiem zgonu. Następnie połączyli ją z modelem globalnej ekspozycji.

Dla Europy oszacowana gęstość umieralności wyniosła 35,7 zgonu na 100 000 mieszkańców rocznie, przy przedziale ufności od 15,8 do 65,5. Dla Ameryki Północnej wartość ta wynosiła 27,4 zgonu na 100 000 mieszkańców rocznie, przy przedziale ufności od 12,9 do 47,4.

W Europie szczególnie wysokie obciążenie stwierdzono w części południowej i wschodniej. W skali globalnej około 91 proc. zgonów wiązanych z ekspozycją na ultradrobne cząstki przypadało na obszary miejskie, a 78 proc. na gęsto zaludnione centra miejskie.

Szczególne zagrożenie dla płuc, serca i naczyń

Z punktu widzenia pulmonologii podstawowe znaczenie ma zdolność UFP do przenikania do najbardziej obwodowych części układu oddechowego. Cząstki mogą osadzać się w obszarze pęcherzykowym, oddziaływać na pneumocyty, makrofagi pęcherzykowe i śródbłonek naczyń włosowatych oraz inicjować miejscową odpowiedź zapalną i stres oksydacyjny.

Potencjalne następstwa obejmują zaburzenie integralności bariery pęcherzykowo-włośniczkowej, aktywację komórek zapalnych, zmiany funkcji śródbłonka oraz rozwój ogólnoustrojowej odpowiedzi zapalnej. Omawiane badanie skupiało się jednak przede wszystkim na umieralności ogólnej i sercowo-naczyniowej, dlatego na jego podstawie nie można dokładnie określić ryzyka poszczególnych chorób płuc.

Autorzy szczególnie podkreślają zagrożenie dla układu sercowo-naczyniowego. Po przejściu przez barierę płucną same cząstki lub mediatory zapalne powstające w płucach mogą oddziaływać na śródbłonek, metabolizm komórkowy i funkcję naczyń.

Wśród opisywanych mechanizmów wymienia się systemowy stres oksydacyjny, dysfunkcję śródbłonka, rozwój zmian miażdżycowych i zaburzenia mikrokrążenia wieńcowego. Ekspozycja na UFP pozostaje również w związku epidemiologicznym z nadciśnieniem tętniczym, cukrzycą, niewydolnością serca, zawałem mięśnia sercowego i udarem mózgu.

Badania eksperymentalne na zwierzętach i badania z udziałem ludzi wskazują ponadto na możliwy wpływ ultradrobnych cząstek na funkcję mięśnia sercowego, metabolizm komórek oraz mitochondria, czyli struktury odpowiadające za wytwarzanie energii komórkowej.

Spalanie paliw kopalnych głównym źródłem UFP

Według analizy w regionach o dużym zanieczyszczeniu ultradrobne cząstki składają się przede wszystkim z typowych produktów spalania, takich jak sadza, określana również jako black carbon, oraz węgiel organiczny.

W skali globalnej około 75 proc. ekspozycji przypisano spalaniu paliw kopalnych. W krajach o wysokich dochodach udział ten przekraczał 90 proc. Głównymi źródłami były transport, przemysł i energetyka.

W państwach o niższych dochodach dodatkowe znaczenie miało spalanie drewna i innych paliw stałych w gospodarstwach domowych. Tego rodzaju ekspozycja może być szczególnie intensywna w słabo wentylowanych pomieszczeniach, gdzie zanieczyszczenia pochodzące ze spalania osiągają wysokie stężenia.

World Health Organization oraz European Union zaliczają obecnie ultradrobne cząstki do zanieczyszczeń o rosnącym znaczeniu. Nie oznacza to jednak, że UFP zostały już objęte jednolitymi, wiążącymi limitami jakości powietrza.

Niższe stężenia mogłyby zapobiec części przedwczesnych zgonów

Model opracowany przez badaczy wskazuje, że ograniczenie średniego rocznego stężenia ultradrobnych cząstek do 5000 cząstek na centymetr sześcienny mogłoby zmniejszyć globalną nadmiarową umieralność wiązaną z UFP o około 45 proc.

Nie jest to obecnie obowiązujący standard regulacyjny, lecz scenariusz modelowy pokazujący możliwe korzyści zdrowotne wynikające z ograniczenia ekspozycji. Autorzy postulują konsekwentne zmniejszanie emisji ze źródeł spalania w miastach, zwłaszcza z transportu, przemysłu i energetyki.

Rekomendują także rozwój niekopalnych źródeł energii oraz włączenie pomiarów liczby ultradrobnych cząstek do rutynowych systemów monitorowania jakości powietrza. Zdaniem badaczy umożliwiłoby to lepsze rozpoznawanie długoterminowych skutków zdrowotnych, porównywanie obciążenia pomiędzy regionami oraz ocenę skuteczności działań ograniczających emisję.

Znaczenie wyników dla pulmonologii

Dla lekarzy zajmujących się chorobami układu oddechowego badanie stanowi kolejny argument przemawiający za uwzględnianiem ekspozycji środowiskowej w ocenie pacjenta. Standardowe informacje dotyczące PM10 i PM2,5 mogą nie odzwierciedlać pełnej charakterystyki aerozolu atmosferycznego, zwłaszcza w pobliżu intensywnego ruchu drogowego, lotnisk, zakładów przemysłowych i innych źródeł spalania.

Znaczenie ekspozycji może być szczególnie duże u pacjentów z astmą, przewlekłą obturacyjną chorobą płuc, chorobami śródmiąższowymi płuc, przewlekłymi chorobami układu sercowo-naczyniowego oraz zaburzeniami metabolicznymi. Omawiana publikacja nie analizowała jednak osobno ryzyka w każdej z tych grup, dlatego nie należy traktować takich zależności jako bezpośredniego wyniku tego badania.

W praktyce klinicznej istotne może być pytanie o miejsce zamieszkania, bliskość ruchliwych arterii komunikacyjnych, ekspozycję zawodową, sposób ogrzewania domu oraz obecność źródeł spalania w otoczeniu pacjenta. Nie istnieją jednak obecnie rutynowe metody indywidualnego pomiaru ekspozycji na UFP stosowane w codziennej opiece pulmonologicznej.

O badaniu

Badanie „Air quality and health implications of exposure to ultrafine particle pollution” przygotował międzynarodowy zespół kierowany przez prof. dr. Josa Lelievelda z Max-Planck-Institut für Chemie i The Cyprus Institute oraz dr. Pantelisa Georgiadesa z The Cyprus Institute.

W pracach uczestniczyli również naukowcy z University of Helsinki, King Saud University oraz Universitätsmedizin Mainz, w tym Univ.-Prof. dr Thomas Münzel, związany również z Deutsches Zentrum für Herz-Kreislauf-Forschung, Standort Rhein-Main.

Badanie było finansowane między innymi w ramach projektów Horizon Europe CATALYSE, EMME-CARE i MARKOPOLO. Globalne dane wykorzystane w analizie udostępniono publicznie w repozytorium Zenodo.

Źródło: Cardiovascular Research, Air quality and health implications of exposure to ultrafine particle pollution.
DOI: https://doi.org/10.1093/cvr/cvag136